Rust：Tokio 的異步 IO
現代應用程序經常處理大量併發 I/O 操作，例如讀寫文件、網絡通信或與外部設備交互。使用傳統的阻塞 I/O，應用程序會暫停，等待每個 I/O 操作完成後再繼續。這可能導致性能問題並限制應用程序的可伸縮性。爲了解決這些挑戰，我們轉向異步 I/O。這就是 Rust 的 Tokio 發揮作用的地方——Rust 編程語言的一個強大的異步運行時，使開發人員能夠使用 async/await 語法構建高性能、非阻塞應用程序。
在操作系統中反覆檢查完成情況會耗費大量資源，而且很麻煩。這就是像 epoll 這樣的系統調用發揮作用的地方。使用 epoll，你可以將多個未完成的 I/O 請求捆綁在一起，並要求操作系統在這些請求完成時喚醒你的線程。
AsyncRead，AsyncWrite
要異步讀取文件，我們可以使用 “tokio::fs::File” 結構體和 “AsyncReadExt” 特徵。讓我們創建一個簡單的例子，讀取文件的內容並將其打印到控制檯：
use tokio::io::{self, AsyncReadExt};
use tokio::fs::File;
#[tokio::main]
async fn main() -> io::Result<()> {
let mut f = File::open("foo.txt").await?;
let mut buffer = [0; 10];
// 讀取最多10個字節
let n = f.read(&mut buffer).await?;
println!("The bytes: {:?}", &buffer[..n]);
Ok(())
}在這個例子中，我們使用 “tokio::fs::File::open” 來異步打開一個文件。然後使用 “AsyncReadExt::read_to_string” 方法將文件內容讀入 String。最後，我們將內容打印到控制檯。
Tokio 還提供了 “std::io::BufRead” 特徵的對等異步特徵，稱爲 “AsyncBufRead”。此外，它還提供了分別包裝讀取器和寫入器的異步“BufReader” 和“BufWriter”結構。通過利用緩衝區，這些包裝器減少了系統調用的數量，併爲訪問所需數據提供了更方便的方法。
例如，“BufReader”與 “AsyncBufRead” 特徵一起工作，爲任何異步讀取器引入額外的方法：
use tokio::io::{self, BufReader, AsyncBufReadExt};
use tokio::fs::File;
#[tokio::main]
async fn main() -> io::Result<()> {
let f = File::open("foo.txt").await?;
let mut reader = BufReader::new(f);
let mut buffer = String::new();
// 將一行讀入緩衝區
reader.read_line(&mut buffer).await?;
println!("{}", buffer);
Ok(())
}另一方面，“BufWriter” 並沒有引入新的寫入方法。相反，它會緩衝每個寫入調用。要確保寫入任何緩衝的數據，必須刷新 “BufWriter”。
use tokio::io::{self, BufWriter, AsyncWriteExt};
use tokio::fs::File;
#[tokio::main]
async fn main() -> io::Result<()> {
let f = File::create("foo.txt").await?;
{
let mut writer = BufWriter::new(f);
// 向緩衝區寫入一個字節
writer.write(&[42u8]).await?;
// 在緩衝區超出範圍之前刷新緩衝區
writer.flush().await?;
} // 如果沒有刷新或關閉，緩衝區的內容將在刪除時被丟棄
Ok(())
}總之，Tokio 的讀寫緩衝器通過最小化系統調用和提供更友好的用戶界面，提高了異步 I/O 操作的效率。
自定義實現
讓我們創建一個簡單的自定義內存緩衝區，使用 “AsyncRead” 和“AsyncWrite”特徵實現。我們的 “MemBuffer” 將充當異步 I/O 資源，允許我們異步讀寫數據。
use std::io::Result;
use std::pin::Pin;
use std::task::{Context, Poll};
use tokio::io::{AsyncRead, AsyncWrite};
use tokio::io::ReadBuf;
struct MemBuffer {
data: Vec<u8>,
read_pos: usize,
}
impl MemBuffer {
fn new() -> Self {
Self {
data: Vec::new(),
read_pos: 0,
}
}
}
impl AsyncRead for MemBuffer {
fn poll_read(
mut self: Pin<&mut Self>,
_cx: &mut Context,
buf: &mut ReadBuf<'_>,
) -> Poll<Result<()>> {
// 計算可讀取的可用字節數
let available = self.data.len() - self.read_pos;
// 確定要讀取的字節數，取ReadBuf剩餘容量的最小值和可用字節數
let bytes_to_read = available.min(buf.remaining());
// 從MemBuffer中獲取要讀取的數據片
let data = &self.data[self.read_pos..self.read_pos + bytes_to_read];
// 將數據片放入ReadBuf中
buf.put_slice(data);
// 更新MemBuffer中的讀位置
self.read_pos += bytes_to_read;
Poll::Ready(Ok(()))
}
}
impl AsyncWrite for MemBuffer {
fn poll_write(
mut self: Pin<&mut Self>,
_cx: &mut Context,
buf: &[u8],
) -> Poll<Result<usize>> {
self.data.extend_from_slice(buf);
Poll::Ready(Ok(buf.len()))
}
fn poll_flush(self: Pin<&mut Self>, _cx: &mut Context) -> Poll<Result<()>> {
// 由於我們的緩衝區在內存中，我們不需要做任何事情來刷新。
Poll::Ready(Ok(()))
}
fn poll_shutdown(self: Pin<&mut Self>, _cx: &mut Context) -> Poll<Result<()>> {
// 內存中的緩衝區不需要特殊的關閉過程。
Poll::Ready(Ok(()))
}
}現在我們有了自定義 “MemBuffer” 實現，我們可以在異步上下文中使用它。讓我們創建一個簡單的例子，寫入和讀取我們的“MemBuffer”。
use tokio::io::{AsyncReadExt, AsyncWriteExt};
#[tokio::main]
async fn main() -> std::result::Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
let mut buffer = MemBuffer::new();
// 將數據寫入緩衝區
buffer.write_all(b"Hello, world!").await?;
// 將讀取位置重置爲從頭讀取
buffer.read_pos = 0;
// 從緩衝區中讀取數據
let mut read_buf = vec![0; 13];
buffer.read_exact(&mut read_buf).await?;
assert_eq!(read_buf, b"Hello, world!");
println!("Successfully read data: {:?}", String::from_utf8(read_buf)?);
Ok(())
}對於應用程序中可能需要的其他自定義 I/O 資源，可以採用類似的方法。
支持平臺
Tokio 主要是爲類 unix 系統定製的，包括 Linux、macOS 和一些 BSD 變體，以及 Windows。然而，值得注意的是，Tokio 目前缺乏對 WebAssembly (Wasm) 的全面支持。目前正在努力使 Tokio 將來能夠在 Wasm 平臺上運行，但目前它仍然是非官方的支持。
對於 WebAssembly，你可能需要考慮其他選項，例如利用 wasm-bindgen 和 web-sys 來促進異步 I/O 操作。這些庫爲 web 應用程序提供了一種使用本地 JavaScript api 的方法，使你能夠使用 Rust 和 Wasm 開發的 web 應用程序與 DOM 元素、網絡請求和其他基本資源進行交互。
總結
憑藉其精心設計的抽象，Tokio 簡化了異步編程的複雜性，使開發人員更容易訪問和享受它。儘管它主要針對類 unix 系統和 Windows，但正在努力將其支持擴展到 WebAssembly 平臺。
通過採用 Tokio 的異步功能，你可以構建健壯的、高性能的、可擴展的應用程序，以應對當今現代計算環境的高要求工作負載。因此，繼續前進，探索 Tokio 的世界，並在 Rust 中釋放異步編程的全部潛力。
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